一種單質(zhì)硅-石墨烯納米帶復(fù)合材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于納米復(fù)合材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及納米復(fù)合材料領(lǐng)域中的單質(zhì)娃-石墨稀納米帶復(fù)合材料制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，鋰離子電池由于具有能量密度高，充放電速度快，無(wú)記憶效應(yīng)，使用壽命長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)而成為研宄熱點(diǎn)。目前，鋰離子電池一般采用石墨作為其負(fù)極材料，然而石墨較低的比容量(理論容量372mAh/g)嚴(yán)重限制了鋰離子電池的性能。硅由于其具有的比容量大(理論容量達(dá)4200mAh/g)，被認(rèn)為是最有望取代石墨成為下一代新型鋰離子電池負(fù)極的材料。然而，硅在充放電過(guò)程中存在嚴(yán)重體積效應(yīng)，隨著鋰離子嵌入-嵌出的進(jìn)行，硅電極材料會(huì)嚴(yán)重粉化，同時(shí)，硅的導(dǎo)電性較低，這兩種因素極大的限制了硅作為負(fù)極材料在鋰離子電池領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，設(shè)計(jì)出一種能夠解決這兩個(gè)問(wèn)題的方法具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。石墨稀納米帶是一種一維帶狀石墨稀，通過(guò)設(shè)-H種石墨稀納米帶捆綁纏繞的單質(zhì)娃-石墨稀納米帶復(fù)合結(jié)構(gòu)，能夠很好的緩解單質(zhì)娃的粉化現(xiàn)象，同時(shí)，石墨稀納米帶具有良好的導(dǎo)電性，從而更加有利于電子或離子的傳輸與存儲(chǔ)。
[0003]現(xiàn)有硅和石墨烯復(fù)合材料制備方法通常是將石墨通過(guò)化學(xué)氧化制得氧化石墨烯，然后通過(guò)高溫剝離制得石墨烯，然后通過(guò)等離子體處理得到改性石墨烯，然后通過(guò)氣相沉積法進(jìn)行硅沉積，即得到硅和石墨烯的復(fù)合材料。該方法的主要缺點(diǎn)是:①該方法采用氣相沉積法，產(chǎn)量較低，生產(chǎn)成本高，不便于推廣應(yīng)用。②該方法采用硅烷硅源，價(jià)格貴，同時(shí)有毒，不利于大批量生產(chǎn)。③該方法中溫度較高，能耗大，不利于節(jié)能降耗，實(shí)際應(yīng)用受限。④該方法制得的產(chǎn)品石墨烯與單質(zhì)硅之間結(jié)合不緊密，從而導(dǎo)致單質(zhì)硅在電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中仍然比較容易粉化脫落，使循環(huán)穩(wěn)定性和使用壽命受到影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有硅和石墨烯復(fù)合材料制備方法不足，提供一種單質(zhì)硅-石墨烯納米帶復(fù)合材料的制備方法，具有操作方便，生產(chǎn)成本低，綠色無(wú)毒等優(yōu)點(diǎn)；本發(fā)明方法制備出的單質(zhì)硅-石墨烯納米帶復(fù)合材料具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，兩者之間存在靜電粘附作用，石墨烯納米帶在單質(zhì)硅表面的靜電粘附會(huì)顯著提高電子和鋰離子的傳輸速率，從而增強(qiáng)鋰離子的嵌鋰活性和使用壽命，該種材料可作為高功率鋰離子電池負(fù)極材料。
[0005]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是:一種單質(zhì)硅-石墨烯納米帶復(fù)合材料的制備方法，以單質(zhì)硅和碳納米管為原料，首先單質(zhì)硅通過(guò)與粘結(jié)劑的混合制得硅的懸浮液；其次，經(jīng)化學(xué)切割和超聲剝離制備出石墨烯納米帶；然后，通過(guò)超聲混合制得單質(zhì)硅-石墨烯納米帶膠狀物；最后，通過(guò)熱處理制得單質(zhì)硅-石墨烯納米帶復(fù)合材料。所述方法的具體步驟如下:
[0006]I)制備單質(zhì)娃懸浮液
[0007]將單質(zhì)硅材料加入去離子水中攪拌0.5?12h，得到單質(zhì)硅的懸濁液，單質(zhì)硅的質(zhì)量(g):去離子水體積(mL)之比為1: 100?1000，然后往懸濁液中加入粘結(jié)劑，并在20-1000Hz的頻率下超聲10?300min，制得均勾的單質(zhì)娃懸浮液。所述粘結(jié)劑與單質(zhì)娃的質(zhì)量之比為1: 0.1?50。
[0008]2)制備石墨稀納米帶
[0009]2.1)將石墨化碳納米管加入到中攪拌I?24h制得混合物I。
[0010]2.2)然后向混合物I中加入過(guò)渡金屬氧化助劑，在室溫下攪拌0.1?5h后再轉(zhuǎn)移到水浴鍋中，再在50?90°C恒溫下攪拌I?1h就制得混合物II ;步驟2.1)所述碳納米管的質(zhì)量(g):步驟2.2)所述過(guò)渡金屬氧化助劑質(zhì)量(g):所述氧化性酸體積(mL)為1:1 ?10: 50 ?2000。
[0011]2.3)向混合物II中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的雙氧水和去離子水，混合反應(yīng)0.5_3h制得混合物III ;所述雙氧水的體積(mL):所述去離子水的體積(mL):步驟1.1)中所述氧化性酸的體積(mL)為1: 5?20: 0.5?5。
[0012]2.4)用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2?5%的鹽酸對(duì)混合物III進(jìn)行超聲清洗；超聲的頻率為20-1000HZ，時(shí)間為10?300min，清洗次數(shù)為2?5次，然后再用去離子水對(duì)混合物反復(fù)離心清洗至中性后，在60-150°C下干燥6?24h，就制得石墨烯納米帶。
[0013]3)制備單質(zhì)娃-石墨稀納米帶復(fù)合材料
[0014]將步驟2.4)所述石墨稀納米帶加入到步驟I)所述單質(zhì)娃懸浮液中，石墨稀納米帶的質(zhì)量與步驟I)中單質(zhì)硅的質(zhì)量比為1: 0.1?20，再在50?1000Hz頻率下超聲震蕩30?240min的后，制得單質(zhì)娃-石墨稀納米帶膠裝物，將膠狀物在60_150°C下干燥6?24h，在升溫速率為2?5°C /min下，升溫至燒結(jié)溫度為200?600°C，惰性氣氛保護(hù)的條件下燒結(jié)I?1h制得單質(zhì)娃-石墨稀納米帶復(fù)合材料。
[0015]本發(fā)明采用上述技術(shù)方案后，主要有以下效果:
[0016]1.本發(fā)明方法在生產(chǎn)過(guò)程工序少，溫度低，同時(shí)不涉及有毒性原料的使用，因此能耗低，生產(chǎn)安全性好，生產(chǎn)成本低，綠色環(huán)保。
[0017]2.本發(fā)明方法采用化學(xué)氧化、機(jī)械攪拌、超聲分散混合等工序，工藝簡(jiǎn)單，操作方便，有利于實(shí)現(xiàn)大規(guī)?；a(chǎn)，便于推廣應(yīng)用；
[0018]3.本發(fā)明方法可直接采用商業(yè)化的單質(zhì)硅材料，有利于直接投入大規(guī)模生產(chǎn)；
[0019]4.本發(fā)明方法制備出的單質(zhì)娃-石墨稀納米帶復(fù)合材料，由于石墨稀納米帶獨(dú)特的帶狀結(jié)構(gòu)，不僅能和單質(zhì)硅緊密的結(jié)合，同時(shí)還形成微小的縫隙以及納米帶本身的缺陷，使得制得的復(fù)合物同時(shí)具備導(dǎo)電性高和離子傳輸性能好的優(yōu)異性能，從而具備優(yōu)異的倍率性能等特點(diǎn)；
[0020]5.本發(fā)明制備出的單質(zhì)娃-石墨稀納米帶復(fù)合材料，由于石墨稀納米帶能夠以纏繞的方式柔性粘附在單質(zhì)硅上，兩者之間存在靜電粘附作用，能夠有效的阻止硅的粉化現(xiàn)象，提高了電極材料的電化學(xué)性能。
[0021]本發(fā)明廣泛用于制備石墨烯納米帶復(fù)合材料，采用本發(fā)明方法制備出的單質(zhì)娃-石墨稀納米帶復(fù)合材料可廣泛用于高功率鋰離子電池。
【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1為本實(shí)施例1制備出的單質(zhì)硅-石墨烯納米帶復(fù)合材料的SEM圖。
[0023]圖2為圖1的放大圖。
[0024]圖中I為單質(zhì)娃，2為石墨稀納米帶。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】，進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。
[0026]實(shí)施例1
[0027]一種單質(zhì)娃-石墨稀納米帶復(fù)合材料的制備方法的具體步驟如下:
[0028]I)制備單質(zhì)硅懸浮液
[0029]將單質(zhì)硅材料加入去離子水中攪拌3h，得到單質(zhì)硅的懸濁液，單質(zhì)硅的質(zhì)量(g):去離子水體積(mL)之比為1: 500，然后往懸池液中加入葡萄糖超聲90min，制得均勻的單質(zhì)硅懸浮液。所述葡萄糖與單質(zhì)硅的質(zhì)量之比為1: 10。
[0030]2)制備石墨烯納米帶
[0031]2.1)將石墨化碳納米管加入到濃硫酸中攪拌12h制得混合物I，
[0032]2.2)然后向混合物I中加入高錳酸鉀，在室溫下攪拌Ih后再轉(zhuǎn)移到水浴鍋中，再在80°C恒溫下攪拌4h就制得混合物II ;步驟2.1)所述碳納米管的質(zhì)量(g):步驟2.2)所述氧化劑質(zhì)量(g):所述氧化性酸體積(mL)為1: 5: 400。
[0033]2.3)向混合物II中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的雙氧水和去離子水，混合反應(yīng)3h制得混合物III ;所述雙氧水的體積(HiL):所述去離子水的體積(mL):步驟2.1)中所述氧化性酸的體積(mL)為1: 10: 2。
[0034]2.4)用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的鹽酸對(duì)混合物III進(jìn)行超聲清洗；超聲的頻率為100Hz，時(shí)